煤矿井下地应力场主应力方向预测方法与流程

本发明归属煤矿安全技术领域，是一种煤矿井下地应力场主应力方向预测方法。

技术背景

煤矿生产中的安全是头等重要的问题，为了解决煤矿的安全生产，对矿区的地应力场测试是防止安全事故发生必不可少的基础工作。在地应力场测试中，按地应力测试地点竖直应力σ_v、最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h三者数值大小关系，将地应力场分为σ_H＞σ_v＞σ_h型、σ_H＞σ_h＞σ_v型、σ_v＞σ_H＞σ_h型三种。不同矿井因开采深度和区域地质运动特征不同，可能归属不同的地应力场类型。地应力场，特别是主应力方向是煤层渗透性优势方位的主要控制因素，因而影响着煤层瓦斯抽采效率。煤矿瓦斯抽采实践表明，沿不同方向施工的瓦斯抽采钻孔的抽采效率具有显著差异，垂直于最大主应力方向施工的瓦斯抽采钻孔往往具有较高的瓦斯抽采效率。另外，最大主应力方向影响巷道变形破坏程度，当巷道轴线与最大主应力方向一致时，巷道变形破坏轻微，维护工程小；当巷道轴线与最大主应力方向垂直时，巷道变形破坏严重，需要投入大量维护工程。因此，获知地应力场主应力方向方向，有助于煤层瓦斯高效抽采优化设计，提高资源开发利用效率；通过调整主要巷道沿最大水平主应力方向施工，能够节约巷道维护成本，最大限度地延长巷道服务年限。

然而，由于地应力现场测试过程复杂、测试成本高，在实际生产中，大部分煤矿没有进行地应力测试，煤矿井下巷道布置、煤层瓦斯抽采等工程设计，缺乏必要的地应力参数指导，导致煤层瓦斯抽采效果差、巷道维护困难，为煤矿井下生产留下了安全隐患。因此，有必要研究经济、实用的地应力场主应力方向预测方法，推进煤矿普遍开展地应力场分析工作，为井下煤层瓦斯抽采、巷道维护提供必要的技术支撑。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，有效解决地应力场预测问题，本发明通过分析巷道变形与地应力场类型和地应力方向的相关关系，利用井下巷道变形和应力痕迹特征，提出了一种经济实用的煤矿井下地应力场主应力方向预测方法。

本发明的目的按以下步骤实现：

S₁：初步预测区域地应力场类型：分析该区域构造演化历史和现今构造运动特点，当区域地质运动以水平运动为主，地应力场可能是σ_H＞σ_h＞σ_v型或σ_H＞σ_v＞σ_h型；当区域地质运动以抬升运动为主或是以沉降运动为主，地应力场类型可能是σ_v＞σ_H＞σ_h型；

S₂：选取同一岩层内相互交叉、支护类型基本相同的巷道(1)、巷道(2)，如图2所示：

当巷道(1)、巷道(2)均以两帮破坏为主，则地应力场为σ_v＞σ_H＞σ_h型；

当巷道(1)、巷道(2)均以顶底板破坏为主，则地应力场为σ_H＞σ_h＞σ_v型；

当巷道(1)以两帮破坏为主、巷道(2)以顶底板破坏为主，则地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型。

现场实际交叉巷道观测过程中，应当优先选择大角度相交巷道，应当综合比较多组交叉巷道。

同时，统计巷道中发生的槽沟式破坏、张裂隙、剪裂隙、椭圆形冒落、钻孔闭合变形、交叉巷道差异破坏特征，绘制观测地点的最大水平主应力方向。

S₃：预测地应力场最大主应力方向：

当地应力场为σ_v＞σ_H＞σ_h型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场中间主应力方向，竖直方向为地应力场最大主应力方向；当地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场最大主应力方向、竖直方向为中间主应力方向；当地应力场为σ_H＞σ_h＞σ_v型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场最大主应力方向、竖直方向为地应力场最小主应力方向。

本发明方法与其它地应力场预测方法相比，不需要布置测试工程，节约了测试费用；同时，由于煤矿井下揭露范围广，巷道变形等应力痕迹丰富，为开展井下地应力预测提供了极为便利的条件，该预测方法简单有效，便于煤矿井下大范围开展，因此具有广阔的经济及社会效益。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的分析方法流程图。

图2为本发明利用交叉巷道判断地应力场类型示意图。

图3为本发明实施例交叉巷道破坏特征图。

图4为本发明实施例运输巷破坏特征图。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况，对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1为本发明的分析方法流程图，包括以下步骤：

S1：初步预测区域地应力场类型：分析该区域构造演化历史和现今构造运动特点，当区域地质运动以水平运动为主，地应力场是σ_H＞σ_h＞σ_v型或σ_H＞σ_v＞σ_h型；当区域地质运动以抬升运动为主或是以沉降运动为主，地应力场类型是σ_v＞σ_H＞σ_h型；

S2：选取同一岩层内相互交叉、支护类型基本相同的巷道(1)、巷道(2)，如图2所示。

当巷道1、巷道2均以两帮破坏为主，则地应力场为σ_v＞σ_H＞σ_h型；

当巷道1、巷道2均以顶底板破坏为主，则地应力场为σ_H＞σ_h＞σ_v型；

当巷道(1)以两帮破坏为主、(2)巷道以顶底板破坏为主，则地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型。

现场实际交叉巷道观测过程中，应当优先选择大角度相交巷道，应当综合比较多组交叉巷道。

统计井下围岩应力痕迹特征(包括：巷道槽沟式破坏、张裂面和剪切面发育方位、椭圆形冒落的长短轴方位、钻孔闭合变形特征、交叉巷道破坏特征)，根据观测地点应力痕迹几何特征与水平应力关系，判断观测地点所处的最大水平主应力方向：

当槽沟式破坏位于巷道交叉处，则最大水平主应力方向垂直于槽沟走向；

当槽沟式破坏位于巷道中，则最大水平主应力方向与巷道轴向大角度相交；

当巷道顶板出现张裂隙破坏，则最大水平主应力方向平行于张裂隙走向；

当巷道顶板出现椭圆形冒顶，则最大水平主应力方向垂直于椭圆形长轴方向；

当巷道顶板出现剪切面破坏，则最大水平主应力方向垂直于剪切面走向；

当巷道顶板钻孔出现闭合变形，则最大水平主应力垂直于钻孔闭合的长轴方向；

当出现交叉巷道破坏，则最大水平主应力方向垂直于破坏最严重巷道轴向。

S3：本发明根据以上分析，当地应力场为σ_v＞σ_H＞σ_h型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场中间主应力方向，竖直方向为地应力场最大主应力方向；当地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场最大主应力方向、竖直方向为中间主应力方向；当地应力场为σ_H＞σ_h＞σ_v型时，观测的最大水平主应力方向为地应力场最大主应力方向、竖直方向为地应力场最小主应力方向。

在焦作矿区经实地应用和测试，取得了非常好的有益技术效果，具体情况是：

1)焦作矿区位于华北断块西南缘，受华北、东北NE至NEE向应力场影响，区域上主要表现为NEE-SWW向挤压应力场特征，判断矿区地应力场是以水平应力为主导的σ_H＞σ_v＞σ_h型或σ_H＞σ_h＞σ_v型；

2)矿井巷道(3)、巷道(4)、巷道(5)自掘成后投入使用，均采用锚网喷支护方式，目前变形破坏特征较为典型(图3所示)：

巷道(4)：轴向N45°W，巷道的变形破坏特征为拱顶下沉冒落，断面呈反拱形，并伴随严重底臌，呈现出水平挤压作用下的巷道顶底板破坏。判断该处巷道横截面上水平主应力大于垂直主应力；

巷道(3)：轴向N45°E，巷道变形破坏主要是顶部冒落，其冒落范围和强度较小，拱45°处及侧墙中下部喷层开裂并有底臌，拱45°处和侧墙中下部向内弯曲，表现出竖直应力作用下的巷道两帮破坏。判断该处巷道横截面上竖直应力大于水平主应力；

巷道(5)：轴向N30°W，巷道破坏主要是拱顶受挤脱落，锚杆失效，断面呈反拱形，与巷道(4)变形相似，表现出水平压力作用下的压一张型破坏。初步判断则该处巷道横截面上水平主应力大于垂直主应力，并且从图中可明显看出该段巷道的顶板破坏最为严重，判断地应力场最大水平主应力方向与巷道(5)轴线大角度相交；

综上所述，巷道(3)、巷道(4)、巷道(5)呈现顶底板破坏、两帮破坏并存，且巷道(5)顶板破坏规模、强度均大于其它两条巷道的特征，可以判定该区域地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型。

主要对相同掘进、维修、支护方式下的巷道(6)进行了应力痕迹观测，统计情况如表1所示。

表1应力痕迹信息统计

在巷道顶板张裂隙地点，绘制最大水平主应力平行于裂隙走向；在巷道顶板椭圆形冒落地点，绘制最大水平主应力方向垂直于椭圆形长轴走向，在采掘平面图上绘制得到观测地点的地应力场最大水平主应力方向为NE向(图4)。

3)可以判定古汉山矿地应力场为σ_H＞σ_v＞σ_h型，最大主应力方向为水平，方位为NE向，中间主应力为竖直应力，预测结果与该矿水压致裂法实测地应力的结果基本吻合。在该矿井其它区域巷道并经反复多次试验和测试，都取得了相同或相近似的结果，表明方法稳定可靠，中间主应力为竖直应力，预测结果与该矿水压致裂法实测地应力的结果基本吻合。在该矿井其它区域巷道并经反复多次试验和测试，都取得了相同或相近似的结果，表明方法稳定可靠，具有实际应用价值，可以有效用于对矿区地应力场预测，确保煤矿安全生产，有显著的经济和社会效益。

表2水压致裂法地应力实测结果